Релятивистская астрофизика – новая ветвь науки о небе

Под релятивистской астрофизикой обычно понимают ветвь астрофизики, изучающую явления, в которых существенную роль играют эффекты общей теории относительности — релятивистской теории тяготения. Две проблемы составляют содержание этой области знаний — проблема Вселенной в целом (космология) и проблема чрезвычайно компактных объектов (сжавшихся звезд, звездных систем, газовых облаков, ядер галактик), у которых поля тяготения возрастают настолько, что разгоняют падающие в них тела до релятивистских скоростей (скоростей, близких к световой).

В космологии необходимость выхода за рамки ньютоновской теории тяготения была осознана еще до разработки А. Эйнштейном общей теории относительности в связи с рассмотрением так называемого гравитационного парадокса. Суть этого парадокса состояла в том, что ньютоновская теория не позволяла однозначно определить поле тяготения вещества, неограниченно простирающегося до бесконечности. После создания общей теории относительности появились предпосылки для развития современной космологии. В 1922— 1924 годах А. А. Фридманом были построены релятивистские нестационарные космологические модели, основанные на общей теории относительности. Они предсказывали нестационарность Вселенной (впоследствии подтвержденную открытием расширения Вселенной) и не содержали гравитационного парадокса. Замечательные работы А. А. Фридмана давно стали классическими.

В последние годы построенная теоретиками механическая картина движений и сил во Вселенной наполнилась новым конкретным физическим содержанием. Обнаружено электромагнитное излучение, соответствующее температуре 2,7 К. Существование этого реликтового излучения служит доказательством «горячей модели» Вселенной. Были проведены подробные расчеты превращений элементарных частиц и ядерных реакций на ранней стадии космологического расширения. Более обоснованными и подробными стали гипотезы рождения скоплений галактик, звезд и квазаров из горячей плазмы в ходе ее расширения.

В противоположность космологии, астрофизика (в узком смысле этого слова — как наука об отдельных небесных телах, их системах и газе между ними) до недавнего времена была нерелятивистской. Для создания моделей обычных звезд с массой, не превышающей 100 солнечных (в том состоянии, в котором мы наблюдаем эти звезды), не требуется теории относительности. Ньютоновская теория тяготения вместе с термодинамикой и учением о свойствах плазмы и с ядерной физикой полностью и точно описывают светимость, размеры и спектры звезд. Теория строения звезд хорошо согласуется с наблюдениями. По мере расходования ядерного горючего звезда эволюционирует. Эволюция приводит к состояниям звезды, в которых необходимо учитывать возможность ядерных взрывов, тепловую и гидродинамическую неустойчивость, а также специфические эффекты теории относительности. Эволюция компактных звездных систем, компактных газовых облаков также ведет к их сжатию и необходимости учета релятивистских эффектов.

Так постепенно стало очевидно, что вся астрофизика требует создания релятивистской астрофизики как одной из своих ветвей.

Революция в астрономии

Астрономия переживает в настоящее время период быстрого развития. Относительно небольшой промежуток с конца ХХ века вместил в себя открытие квазаров, пульсаров, рентгеновских источников, реликтового излучения, взрывов галактических ядер и, вероятно, первой черной дыры. В теоретической астрофизике важные гипотезы и открытия появляются еще чаще.

Успехи наблюдательной астрономии в значительной мере связаны с новыми методами исследований — радиоастрономией, инфракрасной, рентгеновской и гамма-астрономией. Многие эксперименты стали возможны только благодаря установке приборов на ракетах и спутниках.

Часть упомянутых открытий была предсказана заранее, и это показывает правильность физических теорий, применимость физических законов, установленных в лабораторных экспериментах, к астрономическим объектам.

Последовательное развитие астрофизических теорий, основанных на достижениях современной физики, иногда приводило к странным и на первый взгляд парадоксальным выводам о кардинальных моментах эволюции отдельных небесных тел и окружающей нас Вселенной. Таким было, например, предсказание нейтронных звезд (в 30-х годах) или предсказание возможности «горячего» состояния материи в начале расширения Вселенной (в 40-х годах). Отождествление пульсаров с нейтронными звездами (1968) и объяснение реликтового излучения теорией горячей Вселенной (1965), наконец, интерпретация одного из рентгеновских источников черной дырой (1972) — прекрасные примеры плодотворности теоретической астрофизики.

Выводы и предсказания теоретической физики должны рассматриваться с полной серьезностью в астрономии — таков обобщающий итог всего развития астрономии и физики за последние десятилетия.

Однако не должны ли мы именно в астрофизике ожидать возникновения новых фундаментальных физических теорий и связанного с ним краха существующих взглядов? Разумеется, в необычных условиях (например, сверхбольших плотностей и температур), еще не исследованных земной физикой, могут проявляться новые, пока не известные законы природы. Однако современная астрофизика оперирует главным образом условиями, где применимость надежно установленных законов природы не вызывает сомнений.

Астрофизика встречается лишь с необычной комбинацией этих условий. Еще раз подчеркнем, что, когда астрономия сталкивается с условиями, выходящими за рамки применимости современной физики (например, при плотностях, в начале космологического расширения намного превышающих плотность атомного ядра), можно ожидать проявления действия еще не известных законов природы.

Автор: И. Д. Новиков, доктор физико-математических наук.